海洋是人类尚未充分探索和开发的宝库,也是保障我国可持续发展的重要战略目标。由于受人类身体所限,发展以无人水下航行器为代表的海洋工程设备已成为探索、开发和利用海洋的重要途径。随着建设和发展海洋的需求不断增加,海洋各种作业任务变得更加复杂多样,对无人水下航行器的要求日益提升。本文在分析现有无人水下航行器基础上,提出和设计了推进器呈X型布置的新型四旋翼式水下航行器,并以系统设计、数学建模、运动控制和编队控制为内容对该航行器的若干关键技术进行了较为系统性的分析和研究。相关理论成果通过仿真和水池实验加以验证。论文的主要研究内容如下:1)提出了四旋翼式水下航行器4个推进器呈X型的布置方式,并分析了在此布置下四旋翼式水下航行器的运动机理。四旋翼式水下航行器因推进器的X型的布置使其运动具有了前进、垂直、横滚和纵倾偏航4种独立的基本运动,从而使航行器具有较好的运动性能。2)针对四旋翼式水下航行器,根据模块化原则,分别对航行器的机械系统、中央控制系统、通讯系统和动力系统进行了分析和设计。对于机械系统,在不考虑推进器情况下,航行器整体外形基本采用流线型,且分为5个舱段;对于中央控制系统,选用数字信号处理器(DSP)、高级精简指令集处理器(ARM)和航姿参考系统(AHRS)共同协作保证航行器自主控制;对于通讯系统,分情况选用电磁波或声波无线通讯,并设计了以帧为单位的数据传输协议,较好保证了数据传输的准确性;对于动力系统,依据前进和垂直运动阻力预估结果对推进器和电池完成了相关选型。3)针对四旋翼式水下航行器,提出了应用粒子群参数寻优和支持向量机的黑箱建模方法。首先根据水下航行器模型通用形式,通过离散化处理得到黑箱模型的输入和输出,然后应用支持向量机构造出输入和输出之间的非线性映射关系,接着利用粒子群算法优化得到支持向量机的最佳参数组合,进而最终获得四旋翼式水下航行器黑箱模型。空间运动实验结果证明了该方法能有效预测水下航行器运动状态,所建模型与实际模型基本吻合,有助于航行器初设分析和设计。4)针对四旋翼式水下航行器,分析和建立了具有自身特征的数学模型具体形式。本文基于水下航行器模型通用形式,从四旋翼式水下航行器样机本体出发,分析航行器所受水动力和控制力,给出相应具体形式,从而建立了具有自身特征的航行器数学模型。根据水动力分析,四旋翼式水下航行器可近似分为(u,q,r)和(u,w,p)两个轻耦合子系统,这与航行器可独立实现前进和垂直(升潜)运动的性质相一致。5)针对四旋翼式水下航行器,提出了具有较强鲁棒性的滑模运动控制器。四旋翼式水下航行器是典型的耦合非线性系统,且具有模型和外部干扰的不确定性。为此,本文采用基于趋近律的滑模控制方法分别对航行器前进运动、垂直运动和空间运动设计了具有一定鲁棒性的控制器。在空间运动控制器设计中,以推进器产生的横滚和纵倾力矩最小为目标函数,利用拉格朗日优化法得到推进器推力的优化解。前进运动和垂直运动的仿真实验证明了航行器X型推进器布置方式的可行性。空间运动的仿真和水池实验表明本文所提出的滑模控制器有效应对了航行器的不确定性,能充分保证四旋翼式水下航行器的自主运动。6)针对四旋翼式水下航行器,结合领航者-跟随者策略、反步法和滑模控制,提出了在三维空间内具有较强鲁棒性且仅需传递位置信息的编队控制方法。水下声通讯速度较慢,因此在设计编队控制时,尽可能减少航行器之间的信息传输量是有所必要的。本文所提出的编队控制由全局领航者控制器和跟随者控制器组成。对于全局领航者控制器,基于反步和滑模方法设计了三维空间内具有一定鲁棒性的轨迹跟踪控制律。对于跟随者控制器,引入一条只与领航者实际位置和跟随者期望相对位置有关的虚拟轨迹,并令该虚拟轨迹收敛于跟随者的期望轨迹,然后为跟随者设计控制律使其收敛于虚拟轨迹,从而最终使跟随者航行器抵达期望相对位置。在全局领航者控制器和跟随者控制器共同作用下,所有航行器沿期望编队形态运动。由6个四旋翼式水下航行器组成的三棱柱编队仿真实验证明了该方法的正确性和有效性。